Nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ thống đê biển Nam Bộ

s Trong đó: Hs: là chiều cao sóng ứng với trường hợp không có rừng phòng hộ; Ls: là bước sóng ứng với trường hợp không có rừng phòng hộ; KT : là hệ số triết giảm sóng tính theo công thức (3.6). Kết quả tính toán cao trình đỉnh một số tuyến đê đại diện trong bảng 3.10: Ứng với rừng ngập mặn có các thông số như sau : Chiều rộng dải rừng B =150m ; mật độ cây quy đổi (tương đường với cây sậy N = 10 cây/m²). So sánh kết quả tính toán cho thấy cao trình đỉnh của các tuyến đê có rừng ngập mặn bảo vệ nhỏ hơn so với các tuyến đê trực diện với biển từ (15 ÷ 20) %. Bảng 3.10: Cao trình đỉnh một số tuyến đê đại diện khi có rừng ngập mặn bảo vệ Tên trạm Tên tỉnh Ztp (m) Hsl (m) Hnd (m) a (m) Zđ (m) Vũng Tàu Bà Rịa - Vũng Tàu 1,48 0,59 1,0 0,3 3,40 Cần Giờ Tp. Hồ Chí Minh 1,18 0,41 1,0 0,3 2,90 Gò Công Đông Tiền Giang 1,76 0,71 1,0 0,3 3,80 An Thuận Bến Tre 1,68 0,68 1,0 0,3 3,70 Bến Trại Trà Vinh 1,81 0,73 1,0 0,3 3,80 Mỹ Thanh Sóc Trăng 1,92 0,78 1,0 0,3 4,00 Gành Hào Bạc Liêu 2,04 0,82 1,0 0,3 4,20 Năm Căn Cà Mau 1,46 0,58 1,0 0,3 3,30 Sông Đốc Cà Mau 0,91 0,28 1,0 0,3 2,50 Xẻo Rô Kiên Giang 0,97 0,31 1,0 0,3 2,60 Rạch Giá Kiên Giang 1,15 0,40 1,0 0,3 2,80 b. Gia cố bảo vệ mái đê Tùy thuộc vào bề rộng và mật độ cây của rừng phòng hộ để chọn hình thức bảo vệ mái cho phù hợp. Nhìn chung quy mô bảo vệ và kích thước các cấu kiện sẽ nhỏ hơn so với đê biển không có rừng bảo vệ, thường chọn biện pháp trồng cỏ để bảo vệ mái đê. Nếu mái đê có đất mùn tốt để cỏ phát triển thì nên trồng cỏ để bảo vệ mái. Nếu mái đê là cát thì dùng thảm xơ dừa phủ mái, sau đó trát bùn và gieo cỏ. Một trong những loại cỏ nên chọn là cỏ Vetiver. Cỏ Vetiver có bộ rễ phát triển nhanh và mạnh giống như một cái nêm dài 2÷3 m, cắm sâu vào lòng đất, dễ đan xen nhau nên rất khỏe, có sức căng và lực xoắn trung bình là 75Mpa (đường kính dễ 0,7÷0,8 mm). Cỏ Vetiver sống và phát triển ở các vùng nhiệt độ khác nhau từ -14 oC ÷ 60oC, chịu được phèn, mặn, chịu được độ pH = 3,0 ÷ 12,5, chịu hạn, chịu úng tốt 3.3.4. Tính toán các thông số kỹ thuật cho một số đoạn đê điển hình 3.3.4.1. Đê biển Gành Hào tỉnh Bạc Liêu Đê biển Gành Hào tỉnh Bạc Liêu là đoạn đê đại diện cho khu vực biển Đông chịu các tác động trực tiếp của sóng biển. Các số liệu tính toán: + Cấp công trình: Cấp III + Vận tốc gió thiết kế: V = 25m/s (bão cấp 9) + Mực nước thiết kế (triều tần suất 5%) : +2,04 m + Cao độ mặt đất tự nhiên: +0,50 m + Hệ số mái dốc phía biển: m = 4,0 a. Xác định cao trình đỉnh đê Công thức tính toán: Zđ = Ztp + Hnd + Hsl + a - Xác định các thành phần trong công thức theo 14 TCN 130 - 2002: Hnd = 100 cm; a = 30cm; Tính Hsl theo 14TCN 130-2002: Hsl= ; Hsp = 1,53; Xác định chiều cao sóng Hs,Ls theo phương pháp Bresthneider: (3.8) (3.9) Đà sóng tính toán: D = 5.1011 = 5.1011 = 200 km Tra các bảng D-1, D-2, D-3 [1], xác định được các giá trị: KD; Kw;Kp; p= 2%; Tiến hành tính toán cao trình đê ứng với các tần suất mực nước khác nhau (Ztp), có kết quả cho trong bảng 3.11: Bảng 3.11: Bảng quan hệ giữa cao trình đỉnh đê và tần suất thiết kế Ztp (m) h (m) Hs (m) T (s) Ls (m) m Hsl (m) Hnd (m) a (m) Zđ (m) p (%) 2,20 1,70 0,63 4,00 25,00 0,41 4,00 0,98 1,0 0,3 4,48 1 2,10 1,60 0,60 3,92 23,97 0,39 4,00 0,94 1,0 0,3 4,34 2 2,04 1,54 0,59 3,87 23,34 0,38 4,00 0,91 1,0 0,3 4,25 5 1,96 1,46 0,56 3,79 22,48 0,37 4,00 0,88 1,0 0,3 4,14 10 - Tính Zđ theo hướng dẫn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tại Dự án do PAM tài trợ để phục hồi và nâng cấp đê biển Bắc Bộ, ứng với tần suất thiết kế p=5%: Hsl = a = 0,66m Zđ = +2,04 + 1,00 + 0,66 + 0,30 = +4,0 m Nhận xét: Tính cao trình đỉnh đê theo 14TCN 130-2002 cho kết quả cao hơn. Để đảm bảo an toàn chọn cao trình đỉnh đê theo kết quả của phương pháp này. Tùy theo yêu cầu và điều kiện đảm bảo về vốn đầu tư để lựa chọn các tần suất cao trình mực nước thiết kế cho phù hợp. Hiện tại theo [1] quy định tần suất cao trình mực nước thiết kế ứng với đê biển cấp III là 5%, vì thế chọn cao trình đỉnh đê Zđ = +4,30m. Trong giai đoạn tới, khi có điều kiện về kinh tế cần thiết kế cao trình đỉnh đê với các tần suất 2% thậm chí là 1% để thích ứng với xu thế không ngừng dâng cao của mực nước biển. Với điều kiện đất nền và đất đắp tại chỗ, khi xây dựng đê với cao trình đỉnh Zđ=+4,30m, để tuyến đê ổn định phải có những biện pháp gia cố rất phức tạp và tốn kém, với điều kiện kinh tế hiện tại của địa phương sẽ khó có thể đáp ứng được. Vì thế, để khả thi khi xây dựng tuyến đê biển Gành Hào cần phải dịch tuyến đê vào phía đất liền khoảng 1km, tiến hành các biện pháp xây dựng kè biển với cao trình hợp lý (có thể cho sóng tràn qua) và trồng rừng ngập mặn để nuôi bãi trước đê để giảm tác dụng của sóng tác động trực tiếp lên công trình, từ đó giảm cao trình đê. b. Tính toán kết cấu bảo vệ mái Chọn vật liệu bảo vệ mái đê là cấu kiện bê tông đúc sẵn tự chèn: - Trọng lượng của vật liệu, cấu kiện phủ mái: Sử dụng đồ thị hình 3.15, với m=4,0, tra được trị số = 2.71 Þ Dn50 = 0,28 Þ G = 0,051 tấn - Chiều dày tấm lát bêtông: Sử dụng đồ thị hình 3.16, với m=4,0; HS = 0,59m; LS = 23,34m Þ x = 1,57, tra được (HS/DD) = 3,0 Þ D = 0,15 m. Kết luận: Chọn vật liệu bảo vệ mái kè là cấu kiện bêtông đúc sẵn tự chèn Tsc178, khi công trình hoàn thành sẽ tạo ra một mặt phẳng với độ nhám khá lớn (do các mố nhám tạo thành) có hiệu quả tiêu hao năng lượng sóng rõ rệt. Để đảm bảo cho khối phủ ổn định đề nghị chọn chiều dày tấm lát là t = 33cm, trọng lượng mỗi cấu kiện G = 99,73kg. Hình 3.19: Cấu tạo tấm lát Tsc178 Chân khay được gia cố bằng hàng ống buy F1500 dày 12cm, dài 1,5m bằng BTCT M300 trong ống là các loại đá không phân loại. Phía ngoài được chống xói bằng rọ đá bọc PVC kích thước (1x2x0,5)m. Kết cấu kè Gành Hào được thể hiện ở hình 3.8. 3.3.4.1. Đê biển An Biên – An Minh tỉnh Kiên Giang a. Tính toán cao trình đỉnh đê Cấp công trình: Cấp IV Vận tốc gió thiết kế: V = 25m/s (bão cấp 9) Mực nước thiết kế (tần suất 5%) : + 0,89 m Hệ số mái dốc phía biển: m = 3,0 Đê được che chắn bởi rừng phòng hộ phía ngoài, sú vẹt mọc từ nhiều năm, đai rừng rộng từ 300m đến 500m, mật độ cây trung bình N = 5 cây/m², chiều rộng dải cây tính toán với vị trí bất lợi nhất B = 300m. Hệ số triết giảm sóng khi truyền qua rừng ngập mặn : KT=1-(1-EXP(-0,001*5^0,8*300)) = 0,34 Tiến hành tính toán cao trình đê ứng với các tần suất mực nước khác nhau (Ztp), có kết quả cho trong bảng 3.12: Bảng 3.12: Quan hệ giữa tần suất mực nước thiết kế và cao trình đỉnh đê Ztp (m) h (m) Hs (m) Ls (m) KΔ Kw Kp m Hsl (m) Hnd (m) a (m) Zđ (m) p (%) 1,04 0,64 0,10 4,21 0,9 1,300 1,94 3,0 0,38 1,0 0,3 2,70 1 0,95 0,55 0,09 3,77 0,9 1,300 1,94 3,0 0,34 1,0 0,3 2,60 2 0,89 0,49 0,08 3,46 0,9 1,300 1,94 3,0 0,31 1,0 0,3 2,50 5 0,78 0,38 0,07 2,87 0,9 1,300 1,94 3,0 0,26 1,0 0,3 2,30 10 Theo 14TCN 130-2002, đối với công trình cấp IV, tần suất mực nước thiết kế p=5% Þ trình đỉnh đê là Zđ = 2,50m. b. Lựa chọn biện pháp bảo vệ mái đê phía biển Tuyến đê được bảo vệ bởi dải rừng ngập mặn, do đó tác dụng của sóng biển lên đê và dòng chảy ven bờ có lưu tốc không lớn, vì thế chọn biện pháp bảo vệ mái đê phía biển bằng phương pháp trồng cỏ. Loại cỏ thường được sử dụng là cỏ Vertiver, trồng thành từng hàng so le trên mái đê với quy cách cây cách cây 25cm. 3.4. KẾT LUẬN Tuyến đê biển được bố trí căn cứ vào các phân tích về sự ổn định của các tuyến đê hiện hữu và dự báo xu thế bồi tụ, xói lở đường bờ của dải ven biển. Trên cơ sở tận dụng tuyến đê hiện hữu với sự ổn định tương đối của đất nền. Tại một số vị trí đang diễn ra quá trình biển lấn như Gò Công Đông, Gành Hào – Rạch Tàu cần dịch chuyển tuyến đê vào phía đất liền từ 1÷3km. Qua kết quả tính toán có thể thấy rằng: Tại những tuyến đê có rừng ngập mặn bảo vệ thì quy mô của công trình giảm đi rất nhiều so với các tuyến đê trực diện với biển. Vì thế, bảo vệ và phát triển rừng ngập mặn là vấn đề sống còn trong việc ổn định đường bờ và phát triển bền vững kinh tế vùng ven biển. Từ các công thức trong 14TCN 130-2002 luận văn đã xây dựng được các biểu đồ quan hệ dùng để tính toán khối lượng và chiều dày tối thiểu của khối phủ mái nghiêng. Các biểu đồ này sẽ giúp cho các nhà thiết kế thuận lợi hơn trong tính toán. CHƯƠNG IV CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG ĐÊ BIỂN NAM BỘ 4.1. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KINH NGHIỆM XÂY DỰNG ĐÊ BIỂN Do ý thức được sự quan trọng của hệ thống đê biển trong việc bảo vệ sản xuất, tài sản cũng như tính mạng của con người, từ nhiều năm trước đây chính quyền và nhân dân vùng ven biển đã không ngừng xây dựng, củng cố, nâng cấp hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ biển. Tuy nhiên, do những hạn chế về trình độ, phương tiện, kinh nghiệm và đặc biệt là kinh phí đầu tư nên công tác thi công đê biển Nam Bộ vẫn còn nhiều trở ngại. Những mặt hạn chế chính có thể đề cập đến như sau: 4.1.1. Về vật liệu xây dựng Khối lượng đất dùng để đắp đê rất lớn. Nếu lựa chọn đất tốt để đắp thì phải vận chuyển xa rất tốn kém và không phù hợp với điều kiện giao thông ở vùng ven biển Nam Bộ. Vì thế, hầu hết các tuyến đê đều sử dụng vật liệu tại chỗ để đắp. Đất đắp được khai thác từ các bãi vật liệu dọc tuyến đê, có độ ẩm cao, khả năng thoát nước kém lại được đắp trên nền đất yếu do đó không thể dùng máy đầm có tải trọng lớn để đầm đạt dung trọng cao. Vật liệu đắp đê không tốt thường gây ra các vấn đề như: mất ổn định mái (sạt, trượt mái); lún nhiều làm cho đê không đảm bảo cao trình thiết kế sau một thời gian đưa vào sử dụng 4.1.2. Về các giải pháp xử lý nền Hình 4.1: Đê bị lún trồi do sự phá hủy nền Đê biển Nam Bộ được xây dựng trên nền đất yếu. Những loại đất này có khả năng chịu tải nhỏ và tính biến dạng lớn, chủ yếu là các loại đất dính (sét, á sét, á cát) mềm yếu, và các loại bùn sét, bùn á sét, bùn á cát. Ở điều kiện tự nhiên chúng có hệ số thấm nhỏ, không thể cố kết nhanh được. Trong quá trình xây dựng trước đây chưa đề cập đến hoặc lựa chọn các giải pháp xử lý nền chưa đúng nên thường dẫn đến những sự cố gây mất ổn định công trình. Khi xây dựng đê trên nền đất yếu không được xử lý tốt thường ảnh hưởng tới tiến độ thi công và ổn định công trình, điển hình là lún trồi. 4.1.3. Về biện pháp thi công Các vấn đề còn tồn tại liên quan đến biện pháp thi công đê là: - Tốc độ thi công quá nhanh, không đủ thời gian cho sự cố kết của đất nền, dẫn đến nền bị lún sụp; - Chiều cao lớp đắp quá lớn vượt quá khả năng chịu tải của đất nền. Hình 4.2: Sạt mái đê do đào kênh lấy đất đắp - Vị trí đào kênh lấy đất đắp đê quá gần chân đê: Trong quá trình thi công để tận dụng tầm với của xáng, giảm bớt chi phí đào trung chuyển, đơn vị thi ccông thường đào đất ngay vị trí chân đê để đắp. Hậu quả của việc làm trên dẫn tới sự cố gây trượt mái đê hàng loạt. - Bố trí thiết bị thi công không phù hợp: một số đơn vị thi công không có kinh nghiệm thường nôn nóng muốn thi công nhanh nên đã đưa các loại máy thi công có công suất lớn, tải trọng nặng vào công trường. Hậu quả là máy ủi, máy đào thì bị chìm, đất đào lên đến đâu chìm đến đấy và cuối cùng phải thay thế thiết bị và đổi tiến độ thi công cho phù hợp với “yêu cầu” của đất. - Thời gian thi công không hợp lý: thi công vào mùa mưa. 4.1.4. Các cơ chế phá hoại của đê trên nền đất yếu 4.1.4.1. Phá hoại, mất ổn định do nền bị lún trồi Dạng phá hoại này thường xảy ra trên nền đất yếu có chiều dày (H) lớn hơn chiều rộng trung bình (B) của mặt cắt ngang đê (H>B), và sức chống cắt của đất nền hầu như không tăng theo chiều sâu. Hình 4.3: Phá hoại, mất ổn định do nền bị lún trồi Áp lực của cột đất đắp ở thân đê lớn hơn sức chịu tải giới hạn của lớp đất yếu ở nền đê. Theo phương thẳng đứng biến dạng lớn nhất tập trung ở trục đê giữa lớp đất yếu, còn theo phương ngang biến dạng lớn nhất tập trung ở giữa mặt đê và 2 trục đi qua gần 2 mép chân đê. Làm cho thân đê chìm xuống nền, đất nền bị ép trồi lên 2 bên. 4.1.4.2. Phá hoại do nền bị lún trồi và bị đẩy ngang Phá hoại này thường xảy ra với nền đất yếu có chiều dày (H) nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng trung bình (B) của mặt cắt ngang đê (H<B), và dưới lớp đất yếu có lớp đất tương đối tốt hơn. Trong hai trường hợp này vùng biến dạng dẻo trong nền đất yếu đã xuất hiện nhưng chưa đến mức có thể gây ra một mặt trượt. Hình 4.4: Phá hoại do nền bị lún trồi và bị đẩy ngang Ứng suất (đẩy) theo phương ngang và biến dạng lớn nhất nằm dưới thân đê ở giữa lớp đất yếu, làm cho đê lún xuống và bị đẩy ngang. 4.1.4.3. Phá hoại kiểu trượt sâu Đây là dạng phá hoại phổ biến trong đê và đập đất ở Nam Bộ. Khi đó vùng biến dạng dẻo trong nền đất yếu đã vượt qua mức giới hạn tương ứng cho ổn định tổng thể của đê trên nền đất yếu. Hình 4.5: Phá hoại kiểu trượt sâu Tuỳ theo đặc điểm của đất nền và đất đắp, cung trượt nguy hiểm có thể đi qua cả khối đất đắp và đất nền, hoặc chỉ đi qua thân khối đất đắp. Đối với nền đất yếu, cung trượt nguy hiểm thường đi qua cả khối đất đắp và đất nền. Những kinh nghiệm từ việc xây dựng đê trên nền đất yếu tại Hà Lan cho thấy đê có thể bị phá hoại do biến dạng dẻo quá lớn của nền. Sự phá hoại còn có thể xảy ra do hiện tượng nén nở hông của đất nền khi mà khối đất nền dưới đê tương đối yếu. Hình 4.6: Phá hoại do nén nở hông Biến dạng này tăng lên một cách nguy hiểm khi có áp lực đẩy ngược do áp lực thấm của lớp đất phía dưới có tính thấm cao hơn. Nguyên nhân là do áp lực đẩy ngược làm giảm ứng suất hiệu quả, dẫn tới ứng suất tại phân lớp giảm đáng kể. 4.2. ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP THI CÔNG ĐÊ BIỂN NAM BỘ 4.2.1. Các phương pháp xây dựng đê biển Nam Bộ Các tuyến đê biển Nam Bộ thường được xây dựng theo những phương pháp chủ yếu sau đây: 4.2.1.1. Đào tuyến kênh mới để lấy đất đắp đê Phương tiện thi công thường là xáng cạp, máy đào gầu ngoạm hoặc đào thủ công vận chuyển đất đắp đê. Khi tuyến kênh xa tuyến đê, quá tầm hoạt động của máy đào, hoặc đất đào lên quá ẩm ướt người ta thường dùng biện pháp đào trung chuyển. Đất đào được rải lên bờ để phơi cho đến một độ ẩm nhất định, sau đó dùng máy đào tự hành, máy ủi hoặc phương tiện khác vận chuyển đất lên để đắp. Khối đất đắp được được đầm nén bằng máy đầm bánh xích hoặc máy đầm chân dê tải trọng nhỏ. 4.2.1.2. Nạo vét và đào mở rộng các kênh rạch sẵn có để lấy đất đắp đê Nếu tuyến kênh cũ hẹp, cần đào mở rộng nhiều về phía gần đê thì nên đào phần mở rộng trước để lấy đất đắp đê. Giữa kênh cũ và phần mới đào mở rộng chừa lại bờ đất không cho nước từ kênh chảy vào khoang đào, sau đó dùng xáng cạp hoặc xáng thổi đào bỏ bờ đất, kết hợp nạo vét mở rộng kênh. Nếu tuyến đê ở xa tuyến kênh, giữa đê và kênh có khoảng đất trống, thì nên đào bãi đất trống trên cạn để đắp đê. Sau đó dùng xáng thổi nạo vét đào mở rộng kênh và thổi đất đắp trả lại hố đã đào. Trường hợp phải nạo vét sâu kênh và mở rộng cả hai bờ kênh có mức độ bằng xáng thổi, thì đất được thổi lên khỏi kênh rạch có dạng bùn. Cần phải tập trung dung dịch nước và đất vào bể lắng hoặc thổi qua bờ đê cũ hoặc đường giao thông. Sau khoảng thời gian cần thiết nước thoát ra, đất được tự nén chặt và khô ráo sẽ đào vận chuyển để đắp đê. Đất được thổi lên bể lắng bằng xáng thổi, theo các kết quả nghiên cứu thì sau một tháng, tùy theo các loại đất có thể đạt được hệ số nén chặt K như sau: Đối với cát mịn K = 0,75 Đối với bùn á sét K = 0,70 Đối với bùn sét K = 0,55 4.2.1.3. Đào đất ở các bãi vật liệu vận chuyển đến để đắp đê Thường dùng máy đào gàu thuận (có khi kết hợp cả thủ công) và ô tô tự đổ vận chuyển đất lên đê để đắp. Đất được san ủi và đầm nén theo từng lớp. Vì đất có độ ẩm tự nhiên lớn nên không thể dùng máy đầm loại nặng mà thường dùng máy đầm bánh xích để đầm. 4.2.2. Đề xuất các giải pháp thi công đê biển Nam Bộ Việc chọn biện pháp thi công cụ thể phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: đặc điểm tự nhiên, điều kiện kinh tế, sự khống chế về thời gian Trong phần này tác giả xin trình bày một số giải pháp hợp lý xử lý thân và nền đê nhằm nâng cao hiệu quả thi công đê biển trong hai trường hợp: Trường hợp không thể kéo dài thời gian thi công và trường hợp không hạn chế về thời gian thi công công trình. 4.2.2.1. Tröôøng hôïp khoâng theå keùo daøi thôøi gian thi coâng Khi thời gian thi công bị khống chế, để đẩy nhanh tiến độ thi công mà không ảnh hưởng đến chất lượng công trình thì cần có những giải pháp gia cố thân và nền đê hợp lý. Hiện nay có rất nhiều phương pháp, nhưng tập trung lại có hai nhóm phương pháp chính sau đây: a. Cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của đất nền * Xử lý nền bằng đệm cát : Phạm vi áp dụng : Giải pháp xử lý bằng đệm cát hiệu quả nhất khi lớp đất yếu ở trạng thái bão hòa nước và chiều dày của nó nhỏ hơn hoặc bằng 3,0m, chiều cao đê từ 6 ¸ 9m, mực nước ngầm thấp không có áp và nguồn cát ở gần vị trí thi công. Để tận dụng khả năng chịu tải của các lớp đất nền tốt hơn ở phía dưới, đào bỏ lớp đất yếu hoặc một phần lớp đất yếu phía trên tiếp giáp với đáy móng đê (thường là sét nhão, bùn, than bùn) và thay thế bằng đất cát (đệm cát) có cường độ chống cắt lớn, dễ thi công và là vật liệu địa phương. Tầng đệm cát lúc này có những tác dụng sau đây: - Giảm độ lún của nền công trình và độ lún không đều, đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền khi chịu tải trọng ngoài. - Làm tăng khả năng ổn định của đê kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng (trường hợp đê làm nhiệm vụ ngăn lũ), vì cát được nén chặt sẽ làm tăng lực ma sát và tăng sức chống trượt. - Đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu được tải trọng của công trình và truyền tải trọng đó xuống lớp đất chịu lực phía dưới. - Cường độ cắt của đất cát lớn do đó có khả năng chịu tải lớn. Hình 4.7: Mặt cắt ngang xử lý nền đê bằng đệm cát + Thiết kế đệm cát : Khi thiết kế đệm cát phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây : - Lớp đệm cát phải ổn định dưới tác dụng của tải trọng ngoài - Áp lực trên mặt lớp đất ở đáy lớp đệm do tải trọng đê gây ra phải nhỏ hơn áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất đó. - Độ lún toàn bộ của lớp đệm cát và lớp đất nằm dưới cũng như độ lún không đều của móng phải nhỏ hơn giá trị giới hạn quy định trong quy phạm thiết kế hiện hành. Thiết kế đệm cát bao gồm: xác định kích thước lớp đệm cát, độ lún toàn bộ của đê xây trên đệm và vật liệu làm đệm. Kích thước đệm cát : Hiện nay có 2 xu hướng tính toán kích thước của lớp đệm cát [8]: - Xem lớp đệm cát như một bộ phận của móng và tính như móng nông trên nền đất tự nhiện. - Xem lớp đệm cát như một bộ phận của đất nền tức là đồng biến tuyến tính. Khi này có thể vận dụng các quy luật phân bố ứng suất của cơ học đất, tuy cũng chỉ gần đúng nhưng có cơ sở khoa học hơn. Đó là dựa theo điều kiện biến dạng của đất nền. Kích thước đệm cát được thiết kế theo điều kiện này phải thỏa mãn điều kiện: s1 + s2 ³ Rtc (4.1) Hình 4.8: Sơ đồ tính ứng suất tại một điểm trong nền Trong đó: s1 : ứng suất thường xuyên do trọng lượng bản thân đệm cát tác dụng trên mặt đất yếu dưới lớp đệm : s1 = gc.hc (gc và hc : trọng lượng thể tích lớp đệm cát và chiều dày đệm cát. s2 : ứng suất tăng thêm do tải trọng gây ra trên mặt lớp đất yếu dưới đáy đệm cát : s2 = (p/p).(b+ sinb), trong đó b là góc hợp bởi 2 đường thẳng nối từ điểm cần tính ứng suất tăng thêm đến 2 điểm kết thúc tải trọng đất đắp, b = 2arctang(bm/2hc), (hình 4.8); p: tải trọng đất đắp đê, p = gđđ.H. Biểu đồ phân bố áp lực đất của đê lên đất nền có dạng hình thang cân, để thuận tiện cho việc tính toán ta đưa về dạng hình chữ nhật với đáy là đường trung bình của hình thang cân (hình 4.9) : bm = b + m1.H Hình 4.9 : Sơ đồ tính tải trọng đất đắp đê Rtc : áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất yếu dưới đáy lớp đệm cát. Áp lực tiêu chuẩn Rtc xác định theo quy phạm thiết kế nền móng: Rtc = m ( A.bc.gđn + B.gc.hc + D.ctc ) (4.2) Trong đó : m : hệ số điều kiện làm việc của đất nền; bc : bề rộng đáy móng quy ước, bc = bm + 2hđtga; gđn : trọng lượng thể tích đất nền nằm phía dưới đệm cát; ctc : lực dính đơn vị của đất nền nằm phía dưới đệm cát; A; B; D : các trị số phụ thuộc vào jtc, tra bảng; Chiều dày lớp đệm cát hc xác định theo công thức gần đúng: hc=K.b (4.3) Trong đó: K: hệ số phụ thuộc tỷ số l/b ( = ¥) và R1/R2 , có thể tra bảng; B: chiều rộng móng, b = bm; R1: áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đệm cát; R2 áp lực tiêu chẩn ở dưới đáy lớp đệm cát. Để đất nền xung quanh lớp đệm cát ổn định thì lớp đệm cát có chiều rộng đủ để tải trọng của đê không gây ra biến dạng ngang lớn (nằm trong giới hạn cho phép). Để đảm bảo yêu cầu trên góc truyền lực a lấy bằng góc ma sát trong j của đệm cát hoặc a = 300 ¸ 450 Chiều rộng đệm cát xác định theo công thức đơn giản : bc = bm +2hctga (4.4) Độ lún S dưới móng công trình được xác định theo biểu thức: S = S1 + S2 £ Sgh (4.5) Trong đó : S1: độ lún điểm cát; S2: độ lún các lớp đất dưới đệm cát; Sgh: độ lún giới hạn cho phép cho mỗi loại công trình. Sau khi xác định chiều dày lớp đệm cát theo (4.3), cần kiểm tra điều kiện (4.1) và (4.5). Nếu chưa thỏa mãn thì tăng chiếu dày đệm cát hoặc tăng diện tích đáy móng. Vật liệu làm lớp đệm cát: Cát to và cát hạt trung là hai loại cát làm lớp đệm tốt nhất vì sau khi đầm chặt, có thể đạt độ chặt khá cao, chịu được tải trọng lớn và không dịch chuyển dưới tác dụng của nước ngầm. Có thể dùng cát vàng (hạt trung) hay cát đen (hạt nhỏ) làm đệm cát. Hàm lượng SiO2 của cát vàng là 75% cát đen là 53%; hàm lượng hữu cơ cát vàng là 1,2% cát đen là 1,5 ÷ 2,5%, do vậy cát vàng làm đệm cát là tốt hơn, nhưng giá thành cao. Dùng cát đen có thể hạ giá thành 40 ÷ 60% so với cát vàng, nhưng độ chặt kém hơn, dễ bị dịch chuyển dưới tác dụng của nước dưới đất có áp lực cao; Do đó chỉ dùng cát đen làm đệm cát trong các công trình loại nhỏ, loại vừa và trong điều kiện thủy văn thích hợp. Để lớp đệm cát ổn định trên nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng công trình, nên chọn các loại cát thỏa mãn một số điều kiện sau : - Với cát vàng: hàm lượng SiO2 không nhỏ hơn 70%, hàm lượng hữu cơ không lớn hơn 5%, hàm lượng mika nên nhỏ hơn 1,5%, cở hạt d > 0.25mm chiếm trên 50% trọng lượng, cấp phối rải đều d = 5 ÷ 0,25mm. - Với cát đen hàm lượng SiO2 không nhỏ hơn 80%, hàm lượng hữu cơ không lớn hơn 2%, hàm lượng mika và hàm lượng sét nên nhỏ hơn 2% . - Có thể trộn 70% cát vàng với 30% cát đen để làm đệm cát. Thi công đệm cát : Dùng máy đào hoặc máy ủi đào móng đê với chiều sâu hđ thiết kế đệm cát. Trải một lớp vải địa kỹ thuật xuống đáy hố móng. Lớp vải địa kỹ thuật có tác dụng ngăn không cho cát chìm lẫn vào đất nền trong quá trình thi công đệm cát đảm bảo chiều dày đệm cát đúng thiết kế. Cát được chọn làm vật liệu lớp đệm được rải thành từng lớp. Chiều dày mỗi lớp rải phụ thuộc vào thiết bị đầm nén. Tuy nhiên do đặc thù đất nền đê biển Nam Bộ thường bão hòa nước và mực nước ngầm xấp xỉ mặt đất tự nhiên nên đầm nén đệm cát bằng phương pháp xỉa lắc là thích hợp hơn cả. Phương pháp này dùng loại xỉa thép dài 1,3 ÷ 1,4 m và có 4 ÷ 6 răng, mỗi răng của xỉa dài 25 ÷ 30 cm và rộng 2 ÷ 4 cm ; trọng lượng toàn bộ của xỉa vào khoảng 4,4kg. Khi thi công, lớp cát đầu tiên được rải dày hơn vào khoảng 15 ÷ 20cm so với các lớp cát tiếp theo. Chiều dày trung bình của các lớp rải 30 ÷ 35cm. Quá trình vận hành của phương pháp xỉa như sau : đầu tiên nâng xỉa lên cao khoảng 50 cm, sau đó thả rơi tự do và tiến hành lắc xỉa ngập sâu dần vào trong đệm cát. Mỗi lần xỉa lắc khoảng 16 lần, cứ một lượt dọc rồi lại một lượt ngang. Theo kinh nghiệm thi công [12], mỗi lớp cát rải chỉ cần xỉa 4 lần là đạt độ chặt trung bình. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng đầm nén : Khi thi công đệm cát, việc trước tiên là xác định các chỉ tiêu đầm nén. Để đánh giá chất lượng đầm nén người ta thường dựa vào hai chỉ tiêu quan trọng : độ chặt và độ ẩm đầm nén. Để đánh giá độ chặt của cát trong lớp đệm, có thể dùng hệ số rỗng hoặc độ chặt tương đối D. Đệm cát sau khi được đầm nén xong có thể áp dụng một trong ba phương pháp sau đây để kiểm tra độ chặt: phương pháp cân, phương pháp dùng phao Kovalev, và phương pháp xuyên tiêu chuẩn. * Xử lý nền bằng đệm đất: Phạm vi áp dụng: Đệm đất thường được áp dụng trong những trường hợp lớp đất yếu phía trên ở trạng thái ẩm thấp và mực nước ngầm ở sâu. Tính toán và thiết kế đệm đất nhìn chung tương tự như đệm cát. Kích thước của đệm đất cũng phụ thuộc điều kiện biến dạng của nền, nghĩa là tổng ứng suất do tải trọng do đê và trọng lượng bản thân lớp đệm đất không vượt qua áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất dưới đáy lớp đệm, đồng thời độ lún của đê không được lớn hơn độ lún giới hạn. Theo các điều kiện trên, chiều dày lớp đệm đất được xác định theo công thức sau: hđ = n1.b (4.6) Trong đó : n1 : hệ số xét đến điều kiện áp lực tác dụng lên đáy móng, khi tải trọng p = 1.5 kg/cm² thì n1 = 1,2; p = 2,0 kg/cm² thì n1 = 1,7; p = 2,5 kg/cm² thì n1 = 2,1; p = 3,0 kg/cm² thì n1 = 2,4 [8]. b : chiều rộng đáy móng đê, b = bm bc : bề rộng đáy móng quy ước, bc = bm + 2hđtga Chiều rộng lớp đệm đất được xác định theo công thức sau [8]: bđ = b.(1 + 2n2) (4.7) Trong đó : n2 : hệ số xét đến đặc tính phân bố biến dạng ngang trong nền, khi tải trọng p = 1,5 ÷ 2,0 kg/cm² thì n2 = 0,3; p = 2,5 ÷ 3,0 kg/cm² thì n2 = 0,35 Hình 4.10: Sơ đồ tải trọng tính toán Khi đất nền có tính nén lún và không đồng đều thì chiều rộng lớp đệm đất được thiết kế theo Y.M.Abelev dựa vào điều kiện: ứng suất ngang do tải trọng thẳng đứng của đê sy truyền xuống nhỏ hơn ứng suất ngang cho phép của nền đất yếu q, nghĩa là : sy ≤ q ; sy ≤ kyp (4.8) Trong đó : ky : hệ số phụ thuộc tỷ số z/b và y/b, tra bảng ( z : chiều sâu diểm tính ứng suất so với đáy móng, y : khoảng cách từ điểm tính ứng suất tới trục giữa tim đê) p = s0tc, s0tc là ứng suất tiêu chuẩn dưới đáy móng do tải trọng của đê truyền xuống. q = n3Rtc, (n3 : hệ số áp lực ngang của đất ở trạng thái tự nhiên, với cát thì n3 = 0,35 ÷ 0,41; với sét pha cát thì n3 = 0,50 ÷ 0,70; với sét thì n3 = 0,70 ÷ 0,74; Rtc : áp lực tiêu chuẩn trên mặt đất yếu). * Tăng cường bằng vải địa kỹ thuật: Phạm vi áp dụng : Đối với những đoạn đê tương đối cao, cần thi công trong một mùa qua vùng đất yếu, thích hợp hơn cả là dùng vải địa kỹ thuật để gia cố thân đê và cải tạo phân bố ứng suất đất nền. Việc đặt các lớp vải địa kỹ thuật lên bề mặt phân cách giữa thân đê và nền đê, đồng thời đặt các lớp vải địa kỹ thuật ở các cao trình khác nhau trong thân đê nằm song song với mặt nền. Lớp vải địa kỹ thuật đặt ở mặt nền có tác dụng phân cách nền đê và thân đê, làm tăng cường độ chịu kéo và cải thiện độ ổn định của đất nền chống lại sự trượt tròn cho khối đất đắp, không bị lún chìm vào nền, áp lực đất đắp đê phân bố tương đối đồng đều vào mặt nền tạo điều kiện cho nền cố kết từ từ. Lớp vải đặt nằm ngang trong thân đê có tác dụng phân bố áp lực đều theo từng cao trình mặt cắt ngang đê, tăng độ bền chống trượt của khối đất đắp và giảm mặt cắt ngang đê. Hình 4.11: Mặt cắt ngang đê xử lý bằng vải địa kỹ thuật Trước khi trải vải địa kỹ thuật, mặt nền phải được san hoặc lấp để đạt độ phẳng và cao trình nhất định. Bề mặt tiếp xúc với vải phải đảm bảo cho vải tiếp xúc tốt với nền. Những vật cứng sắc nhọn phải được dọn sạch để không làm hỏng vải trong quá trình thi công. Sau khi chuẩn bị nền xong, trải vải trực tiếp lên mặt đất đã được chuẩn bị theo yêu cầu đặt vải trên. Căng các thảm vải làm cùng lúc với việc san gạt, liên kết các băng vải kỹ thuật với nhau bằng khâu lại với nhau hoặc tăng chiều rộng phần vải phủ chồng lên nhau, tùy theo các đặc trưng của đất nền, cao trình mặt cắt ngang mà băng này phủ chồng lên băng kia từ 0,3 ÷ 1,0m. Vải địa kỹ thuật được thiết kế tăng cường dù ở trong hay ngoài khối trượt đều phải đủ chiều dài neo trượt. Trong chiều dài đoạn neo tỷ số của lực ma sát của đất với mặt trên và mặt dưới của vải Pf và lực kéo thiết kế của vải Pj (là lực kéo làm vải địa kỹ thuật dãn dài 10%) phải thoả mãn yêu cầu sau: Pf / Pj > 1.5 (4.9) Góc ma sát giữa lớp vải và đất đắp jf nên dựa vào kết quả thí nghiệm để xác định, hoặc có thể tính theo công thức sau : tgjf = 2/3tgjq (4.10) Trong đó : jq là góc nội ma sát xác định bằng thí nghiệm cắt nhanh của đất đắp tiếp xúc với lớp vải. Việc chọn vải địa kỹ thuật và tính toán thiết kế có thể tham khảo phần mềm thiết kế vải địa kỹ thuật (Design CD South East Asea) của hãng Polyfelt. Dùng vải địa kỹ thuật gia cố nền đê xét về mặt kinh tế, kỹ thuật và thi công thuận lợi hơn các giải pháp trên. Tuy nhiên giá thành cho giải pháp này cũng không phải là thấp bởi vải địa kỹ thuật chủ yếu là mua của nước ngoài. Ở những địa phương có nhiều tràm, tre, nứa, lá dừa thì có thể dùng các tấm phên tre, tràm, thảm xơ dừa. Để gia cố nền đê tương tự như dùng vải địa kỹ thuật. * Đắp đê trên bè cây: Đắp đất trên bè làm bằng bạch đàn, tràm, tàu lá dừa bó cành cây, là một trong những phương pháp sử dụng lâu đời, đã từng được xử dụng thành công trong xây dựng đê. Bè cây làm lớp đệm trước khi đắp đê trên nền đất yếu là một trong những phương pháp lâu đời. Khi sử dụng bè cây có những tác dụng chính sau : - Mở rộng diện tích truyền tải trọng, làm cho nền thiên nhiên chịu một tải trọng phân bố đều. - Có thể ngăn không cho mặt trượt sâu xuyên qua nền đê. - Ngăn không cho cát, đất chìm sâu vào nền đất yếu và nước cuốn trôi đất đắp. Các loại đất mềm yếu thường có tính nén lún lớn và mực nước ngầm cao do đó sau một thời gian ngắn nền lún cố kết bè có thể chìm xuống dưới mực nước ngầm sẽ khó mục nát nên thời gian sử dụng được kéo dài đến khi nền cố kết xong. Dựa trên vật liệu sử dụng có thể chia bè thành 2 loại : Bè mềm và bè cứng. Bè mềm được làm bằng các bó cành cây hoặc cây con như : tràm, tre, tàu lá dừa có đường kính 2÷5 cm thường được dùng để đắp đê lấn biển và đê qua đầm lầy, qua các khu rừng ngập mặn. Ngoài ra bè mềm còn được dùng làm lớp lót trên nền đất yếu trước khi làm lớp đệm cát thay cho lớp vải địa kỹ thuật. Bè cứng thường được làm bằng tre hoặc gỗ có đường kính lớn ghép lại, giải pháp bè cứng chưa được sử dụng nhiều bởi giá thành cao. Hình 4.12: Mặt cắt ngang cấu tạo bè cây Phương pháp đắp đê trên bè có ưu điểm là thi công đơn giản , trọng lượng nhẹ do đó ở những nơi có sẵn vật liệu làm bè thì đây cũng là một phương án khả thi. Tuy nhiên việc tính toán cụ thể cấu tạo của bè, đặc biệt khả năng dùng ở những nơi mực nước ngầm không ổn định chưa được nghiên cứu sâu mà thường là bố trí cấu tạo theo kinh nghiệm. Xử lý nền đất yếu bằng bè cây đã được áp dụng ở đê biển Cà Mau, những đoạn xử lý nền bằng biện pháp này chiều cao đắp được nâng lên; thời gian thi công được rút ngắn chỉ trong một mùa khô. Những đoạn không xử lý nếu không đắp đất theo giai đoạn theo thiết kế phải 3 năm mới hoàn thành thì thường bị gặp sự cố lún sụt, trồi mái * Đắp đê có bệ phản áp : Phạm vi áp dụng: Các tuyến đê đi qua ao hồ hoặc vùng bùn lầy, chiều dày lớp đất yếu ³ 3.0m. Khi cường độ chống cắt của nền đất yếu không đủ để thi công đê theo từng giai đoạn hoặc khi thời gian cố kết quá dài so với thời hạn thi công thì có thể áp dụng giải pháp này. So với việc làm thoải độ dốc mái đê, việc đắp bệ phản áp (cơ đê) với một khối lượng đất đắp như nhau sẽ có lợi hơn do giảm được mômen của các lực trượt (do xuất hiện vùng biến dạng dẻo dưới nền đất yếu) nhờ tập trung tải trọng về phía chân mái đê. Bệ phản áp còn làm tăng độ ổn định, giảm khả năng làm trồi đất ra hai bên, mặt khác còn có tác dụng phòng lũ, chống sóng và chống thấm cho thân đê Xác định kích thước bệ phản áp là vấn đề mấu chốt trong tính toán và thiết kế bệ phản áp. Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán kích thước bệ phản áp dựa vào các giả thiết khác nhau nhưng chỉ là những phương pháp gần đúng. Đối với công trình đắp đê thì phương pháp tính toán kích thước bệ phản áp dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo ở hai bên đê theo lý luận cân bằng giới hạn để xác định mặt trượt và trạng thái giới hạn của đất nền, theo điều kiện khống chế ứng suất ngang được áp dụng nhiều ở nước ta. Với công trình đắp đê, tải trọng phân bố dạng hình thang và vùng biến dạng dẻo dưới đê có dạng hình trái xoan lõm giữa. Vùng biến dạng dẻo cho phép phát triển bằng nửa khoảng cách hai mép ngoài của bệ phản áp. Chiều rộng vùng biến dạng dẻo xác định theo lưới đường cong góc lệch qM có trị số bằng nhau. Trị số góc lệch qM xác định theo công thức sau [13]: sinqM = (s1 – s2) / [(s1 + s2+ 2g(z + hm + hc)] (4.11) Trong đó : s1, s2: ứng suất chính ở điểm khảo sát trong đất nền (s1 = µp; s2 = np; m và n : hệ số phụ thuộc z/b và y/b, được tra bảng; p : ứng suất gây lún trung bình phân bố dươi đáy móng). hoặc qM có xác định theo các thành phần ứng suất sz; sy và txy như sau : sinqM = [(sz – sy)2 + 4 t2xy] / [(sz + sy+ 2g(z + hm + hc)²] (4.12) Trong đó : sz; sy và txy: thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng, phương ngang và ứng suất tiếp ở điểm khảo sát (sz = kzp; sy = kyp và txy = tyz = ktp – các hệ số kz, ky, và kt phụ thuộc z/b và y/b, được tra bảng [13]) g : trọng lượng thể tích nền. z, hm : chiều sâu điểm khảo sát và chiều sâu đặt móng hc = c / gtgj (c : lực dính đơn vị đất nền, j: góc ma sát trong đất nền) Theo kinh nghiệm thiết kế, chiều rộng bệ phản áp bằng 2 lần chiều rộng vùng biến dạng dẻo. Theo kinh nghiệm của Trung Quốc [6]: chiều cao h > 1/3H, chiều rộng L = (2/3 ÷ 3/4) chiều dài trồi đất. Hình 3.8 – Mặt cắt ngang bệ phản áp Tuy nhiên, muốn cho bệ phản áp phát huy được hiệu quả để có thể xây dựng nền đắp một giai đoạn thì khối lượng của nó rất lớn. Vì vậy giải pháp đắp bệ phản áp chỉ thích hợp nếu vật liệu đắp rẻ và phạm vi đất đắp không bị hạn chế. Các giải pháp nêu trên (đệm cát, đệm đất, vải địa kỹ thuật, bè cây, bệ phản áp) đều nhằm mục đích cải tạo sự phân bố ứng suất và biến dạng của nền đất yếu. Chỉ nên áp dụng cho các trường hợp khi lớp đất nền yếu có chiều dày không lớn (≤ 3.0m) nằm trực tiếp dưới đáy móng đê để làm tăng khả năng chịu lực và hạn chế biến dạng, đặc biệt là biến dạng không đều của đất nền dưới tác dụng của tải trọng công trình. Các giải pháp trên bị hạn chế khi chiều dày lớp đất yếu lớn (> 3.0m), hoặc trong lớp đất yếu có nước áp lực cao. b. Cải tạo bản thân đất nền – làm tăng độ chặt của đất nền Trong những trường hợp các giải pháp trên không đạt yêu cầu, khi chiều dày lớp đất yếu lớn (> 3.0m), các nền đất có độ rỗng lớn, đất ở trạng thái rời, bão hoà nước có tính nén lún lớn hay đất có kết cấu dễ bị phá hoại và kém ổn định dưới tác dụng của tải trọng khi còn nhỏ, thì giải pháp làm tăng độ chặt đất nền như như cọc cát, cọc đất, giếng cát, nén trước bằng tải trọng tĩnh, nén chặt trên mặt và dưới sâu là hợp lý nhất. Trong các giải pháp đó thì giải pháp xử lý nền đê bằng cọc cát làm tăng độ chặt của đất nền để nâng cao sức chịu tải của đất nền và tốc độ thi công đê ở Nam Bộ là thích hợp. Phạm vi áp dụng: các tuyến đê đi qua vùng mà đất nền có sức chịu tải nhỏ, độ lún lớn và có khả năng gây ra biến dạng không đồng đều; các tuyến đê có chiều cao đắp lớn, các tuyến đê có kết hợp làm đường giao thông. Với những công trình có tầm quan trọng và thời gian cho thi công gấp rút thì nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp có hiệu quả làm cho nước trong lỗ rỗng thoát ra nhanh để tăng tốc độ cố kết của đất nền, khi đó nền đất mềm yếu được cọc cát làm nhiệm vụ là các thiết bị thoát nước dưới dạng đường thấm thẳng đứng. Khi dùng cọc cát, trị số môđun biến dạng ở trong cọc cát cũng như vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy, sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên . Mặt khác, cọc cát làm cho quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn so với nền đất thiên nhiên. Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định. Tuy nhiên không nên dùng cọc cát trong các trường hợp đất quá nhão (khi hệ số rỗng nén chặt e > 1) lúc đó cọc cát không thể lèn chặt đất được và trong những trường hợp khi lớp đất yếu dưới móng đê mỏng ≤ 3.0m. * Thiết kế cọc cát : Khi dùng cọc cát nền đất được nén chặt lại, tuy nhiên đất không có thể nén chặt đến độ chặt tùy ý, hệ số rỗng enc của đất cát sau khi được nén chặt bằng cọc cát có thể lấy tương ứng với độ chặt tương đối D vào khoảng 0,7 ÷ 0,8 và được xác định theo công thức sau : enc = emax – D (emax - emin ) (4.13) Trong đó : emax, emin : hệ số rỗng của cát ở trạng thái rời nhất và chặt nhất được xác định bằng thí nghiệm. Diện tích nền được nén chặt thường lấy lớn hơn diện tích đế móng để đảm bảo nền đất được ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình. Diện tích Fnc của nền được nén chặt có thể tính theo công thức sau đây : Fnc = 1,4 b ( a + 0,4 b ) (4.14) Trong đó : b: chiều ngang đê cần gia cố; a: chiều dài đê cần gia cố. Tỷ lệ diện tích tiết diện các cọc cát Fc đối với diện tích nền được nén chặt Fnc sẽ xác định như sau : Fc/Fn = W = (e0 – enc)/(1+e0) (4.15) Trong đó : e0: hệ số rỗng của đất nền trước khi nén chặt bằng cọc cát. Từ công thức ( 4.15) ta xác định số lượng cọc cát cần thiết : n = WFn / fc (4.16) Trong đó : fc: diện tích tiết diện cọc cát dùng khi thi công Cọc cát thường bố trí theo đỉnh lưới hình tam giác đều. Đó là sơ đồ bố trí hợp lý nhất đảm bảo đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc. Khoảng cách giữa các cọc có thể xác định bằng tính toán và dựa vào những giả thiết cơ bản sau : - Độ ẩm của đất trong quá trình nén chặt là không đổi - Đất được nén chặt đều trong khoảng cách các cọc cát - Thể tích của đất được nén chặt giới hạn trên bề mặt tam giác đều ABC giữa các trục của cọc cát, sau khi nén chặt sẽ giảm một thể tích bằng ½ thể tích cọc cát. - Thể tích của các hạt đất trước và sau khi nén chặt xem như không đổi, nếu bỏ qua tính nén bản thân của các hạt. Tìm khoảng cách L giữa các cọc : trong diện tích tam giác đều có cạnh là L có chứa ba hình quạt của tiết diện cọc với tổng diện tích bằng ½ tiết diện cọc DF= pd²/8. Diện tích DABC là : F = (L²Ö3)/4 Hình 3.9 – Sơ đồ tính khoảng cách cọc cát Trong diện tích DABC khi đất được lèn chặt bằng cọc cát thì đất ở các phần hình quạt của tiết diện cọc bị ép vào phần còn lại của DABC. Có nghĩa là thể tích hạt của đất trong lăng trụ chiều cao một đơn vị, đáy F (trước khi xử lý) Vkxl = (L²Ö3)/4(1+ e0) và F - DF (sau khi xử lý) Vxl = (2L²Ö3 - pd² )/8(1+ enc) là không đổi. Cân bằng hai biểu thức Vkxl và Vxl ta tìm được công thức xác định khoảng cách giữa các cọc L phụ thuộc hệ số rỗng : L = 0.952dÖ((1+ enc)/(e0 – enc)) (4.17) Hoặc phụ thuộc trọng lượng đơn vị : L = 0.952dÖ(gtk/( gtk – g0)) (4.18) Trong đó : gkxl ; gxl : trọng lượng đơn vị của đất nền trước và sau khi xử lý lèn chặt. Chiều sâu nén chặt Hnc của cọc cát có thể lấy bằng chiều sâu vùng nén H ở dưới đế móng. Chiều sâu vùng chịu nén được xác định xuất phát từ điều kiện ứng suất nén ở độ sâu ấy nhỏ hơn một giới hạn nhất định. Đối với công trình thủy lợi, chiều sâu vùng chịu nén H đựơc xác định từ điều kiện sao cho ứng suất sz ở đáy không lớn hơn 0,5 lần áp lực bản thân của đất nền szđ, tức là : sz £ 0,5szđ (4.19) Hình 3.10 : Mặt cắt ngang đê xử lý nền đê bằng cọc cát Theo kinh nghiệm [8], sức chịu tải tính toán của đất nền sau khi được nén chặt bằng cọc cát có thể lấy lớn hơn từ 2 ÷ 3 lần sức chịu tải của đất nền tự nhiên khi chưa có gia cố. Đối với đất nền sét hoặc đất bùn, khi nén chặt bằng cọc cát, sức chịu tải tính toán của đất nền có thể lấy trong phạm vi (2 ÷ 3) kg/cm². 4.2.2.2. Trường hợp có thể kéo dài thời gian thi công Với đặc điểm thi công đê ở Nam Bộ, chiều cao không lớn, thời gian thi công có thể kéo dài thì dùng biện pháp đắp đê theo nhiều giai đoạn để nâng cao sức chịu tải của nền là giải pháp thi vừa công đơn giản vừa hiệu quả. Khi cường độ ban đầu của nền đất yếu rất thấp, để đảm bảo cho nền đê ổn định cần áp dụng biện pháp tăng dần cường độ của nó bằng cách đắp đất từng lớp một, chờ cho đất nền cố kết, sức chống cắt tăng lên, có khả năng chịu được tải trọng lớn hơn thì mới đắp lớp đất tiếp theo. Thực chất của giải pháp này là dưới tác dụng của chiều cao lớp đất thứ nhất, đất nền chưa bị phá hoại, nhưng đựơc nén chặt, sức chống cắt của nền tăng lên do nén cố kết. Sau đó đắp tăng cao lớp thứ hai, khi đó nền đã đủ khả năng chịu tải. Hình 4.17: Sơ đồ phân đoạn đắp đê theo chiều cao Về nguyên tắc, giải pháp này cũng dựa vào sự tăng cao sức chống cắt của nền đất yếu dưới tác dụng của lớp đất đầu tiên để đắp tiên để đắp tiếp lớp đất tiếp theo. Sức chống cắt t = stgj + C của đất dính mềm yếu phụ thuộc vào trạng thái độ chặt, độ ẩm của nó. Khi tác dụng áp lực nén chưa vượt quá khả năng chịu tải của đất nền, nước lỗ rỗng của đất thoát ra làm giảm độ ẩm (W), giảm tỉ số kẽ rỗng (e), và tăng dung trọng khô (gc ) của đất (tức là đất nền được cố kết). Trong quá trình cố kết, sức chống cắt của đất t = stgj + C (góc ma sát trong j và lực dính C) sẽ tăng lớn, khả năng chịu tải của nền cũng tăng. Sự gia tăng này phụ thuộc vào mức độ cố kết của đất nền dưới tải trọng tác dụng lên nó. Dựa vào đặc điểm trên, ta phân đoạn đê theo chiều cao và đắp đất trong nhiều thời đoạn khác nhau nhằm nâng cao dần sức chịu tải của đất nền cho phù hợp với chiều cao khối đất đắp. Hình 4.18: Ap lực lỗ rỗng và quá trình đắp đất Trình tự tính toán như sau : Trước hết xác định chiều cao cho phép của lớp đất đắp đầu tiên H, lúc bấy giờ sức chống cắt của đất yếu là Cu1 (lực dính xác định bằng thí nghiệm không cố kết, không thoát nước). Có thể bỏ qua phần sức chống cắt do ma sát vì áp lực có hiệu quả truyền lên hạt đất xem như không đáng kể. Chiều cao H1 tính từ công thức Mandel-SelenHon [6]: H1 = Nc. Cu1/gF (4.20) Trong đó : - F: hệ số an toàn, F lấy bằng 1,5; Nc: hệ số tra ở (biểu đồ 3.29 [6] phụ thuộc tỷ số B/h, với B là chiều rộng trung bình của nền đắp, h là chiều dày đất yếu). Chờ cho đất cố kết hoàn toàn dưới tác dụng của tải trọng gH1, khi đó sức chống cắt của nền đất yếu tại độ sâu z sẽ tăng thêm (hình 4.19): DCu = Dsztgjcu = g.H1.tgjcu (4.21) Trong đó Dsz: độ tăng ứng suất có hiệu thẳng đứng trong nền đất yếu ở độ sâu z do tải trọng đất đắp gH1 gây ra. Nếu không chờ cố kết hoàn toàn mà chỉ cố kết U% thì độ tăng của sức chống cắt là : DCu = g.H1.U.tgjcu (4.22) Thực tế công thức này cho độ tăng sức chống cắt ở dưới tim của nền đê, còn DCu sẽ gần bằng 0 ở chân đê. Vì vậy ta lấy độ tăng trung bình gần đúng theo cung trượt là : DCu = 1/2 g.H1.U.tgjcu (4.23) Như vậy ta sẽ có một sức chống cắt (lực dính) mới là Cu2 = Cu1 + DCu cho phép ta đắp nền đường đến chiều cao H2 và cứ tiếp tục như vậy cho lớp H3 Hình 4.19 : Sức chống cắt của đất nền tăng thêm Có thể kiểm tra trạng thái cố kết của đất yếu dưới nền đắp bằng các biện pháp : - Đo áp lực lỗ rỗng - Đo độ lún của lớp đất yếu - Xác định độ tăng thêm của lực dính Cu bằng thí nghiệm cắt cánh. Tuy nhiên với đặc điểm thi công đê ở Nam Bộ thì chỉ nên thi công đắp đê trong 2 giai đoạn vì thời gian cố kết của đất diễn ra rất chậm sẽ kéo dài tiến độ hoàn thành đê. Trong trường hợp thời gian giữa các giai đoạn thi công quá dài thì có thể kết hợp với biện pháp cọc cát. 4.2.2.3. Bố trí thiết bị thi công Với những đặc điểm địa hình, địa chất nêu trên, thiết bị dùng để đắp đê ở Nam Bộ nên dùng là máy đào gầu sấp dung tích £ 0.7m³, xáng ngoạm, xáng thổi. Thiết bị đầm nén có thể là bánh xích hoặc đầm chân dê có trọng lượng nhỏ để thích hợp với nền đất yếu. Đặc điểm của đầm chân dê là tạo ra ứng suất lên bề mặt của đất đầm rất lớn và lớn hơn cường độ giới hạn của đất. Vì vậy, sử dụng loại đần này đối với loại đất dính ở dạng cục thì rất hiệu quả. Những trường hợp thời gian thi công ngắn, tuyến đê đi qua những vùng trũng hoặc qua các bãi lầy ven biển, không nên thi công đắp đê bằng biện pháp thủ công (bằng các thỏi đất đấu) bởi những hạn chế sau: đê đắp bằng các thỏi đất đấu không thể đầm chặt, đắp trên nền đất bão hòa nước nếu không có lớp đất thoát nước tốt ở giữa nên tốc độ cố kết rất chậm. 4.3. KẾT LUẬN Trên cơ sở phân tích sự ổn định và những nguyên nhân gây ra sự cố cho đê trong những năm qua. Dựa trên những giải pháp tiên tiến của các nước, trên cơ sở lý luận hiện đại cùng với những giải pháp truyền thống nhưng còn có hiệu quả của nước ta về xử lý nền đất yếu. Luận văn đã đề xuất các giải pháp thi công đê phù hợp với hoàn cảnh và đặc điểm riêng của dải ven biển Nam Bộ. Trong trường hợp có thể kéo dài thời gian thi công thì giải pháp thiết kế và thi công theo từng giai đoạn là phù hợp nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế. Khi mà tiến độ thi công đòi hỏi nhanh, nếu không có biện pháp xử lý nền thì giải pháp đắp bệ phản áp sẽ có hiệu quả hơn giải pháp làm thoải mái dốc đê. Đối với nền đê có chiều dày lớp đất yếu phía trên không lớn (<3.0m), đê không quá cao thì nên áp dụng những biện pháp cải tạo sự phân bố ứng suất của đất nền bằng các giải pháp như : đệm cát, đắp đê trên bè cây vừa dễ thực hiện vừa tận dụng được vật liệu địa phương. Khi nền đê có chiều dày lớp đất yếu phía trên lớn (≥3.0m), đê đắp cao, các tuyến đê có kết hợp làm đường giao thông (chịu tải trọng lớn) cùng với và thời gian cho thi công gấp rút thì nén chặt đất bằng cọc cát là một giải pháp xử lý bản thân đất nền rất hiệu quả, có tác dụng làm chặt đất nền tăng sức chịu tải, làm cho nước trong lỗ rỗng thoát ra nhanh để tăng tốc độ cố kết của đất nền. Về nguyên tắc, mỗi một phương pháp xử lý đất yếu đều có phạm vi áp dụng thích hợp, đều có những ưu điểm và nhược điểm nói riêng. Do đó, căn cứ vào điều kiện cụ thể của nền đất yếu, địa hình, điều kiện địa chất, phương pháp thi công và kinh nghiệm của tư vấn thiết kế mà có thể lựa chọn ra phương pháp hợp lý nhất. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN Luận văn đã đưa ra được bức tranh toàn cảnh về thực trạng hệ thống đê biển Nam Bộ. Qua đó phân tích, đánh giá khả năng làm việc và đề xuất các phương án xây dựng, nâng cấp cho từng đoạn, từng tuyến đê. Kết hợp giữa phân tích thực trạng với dự báo xu thế diễn biến đường bờ luận văn đã đề xuất được phương án bố trí tuyến đê biển Nam Bộ. Dựa trên các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành luận văn đã tính toán và đưa ra được các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống đê biển Nam Bộ với hai trường hợp đại diện: đê trực diện với biển và đê có rừng ngập mặn bảo vệ. Kết quả tính toán cho thấy quy mô, kích thước và khả năng mất ổn định của đê biển giảm đi rất nhiều khi có rừng phòng hộ. Vì thế, bảo vệ và phát triển rừng ngập mặn ven biển là vấn đề sống còn trong công tác ổn định đường bờ và phát triển bền vững vùng ven biển Nam Bộ. Từ việc tổng hợp các kinh nghiệm xây dựng đê biển trong thời gian qua, phân tích các sự cố trong quá trình xây dựng cũng như các nguyên nhân và cơ chế gây ra các sự cố đó. Dựa trên những giải pháp tiên tiến của các nước, trên cơ sở lý luận hiện đại cùng với những giải pháp truyền thống nhưng còn có hiệu quả của nước ta về xử lý nền đất yếu. Luận văn đã đề xuất các giải pháp thi công đê phù hợp với hoàn cảnh và đặc điểm riêng của từng vùng trong dải ven biển Nam Bộ. Trong trường hợp có thể kéo dài thời gian thi công thì giải pháp thiết kế và thi công theo từng giai đoạn là phù hợp nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế. Khi mà tiến độ thi công đòi hỏi nhanh, cần phải có những biện pháp gia cố thân và nền đê phù hợp với yêu cầu của đất nền. 2. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Đê biển Nam Bộ hầu hết được xây dựng trên nền đất yếu. Sự ổn định của đê trên nền đất yếu diễn ra phức tạp và phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Nhưng do thời gian và khả năng có hạn nên luận văn chưa đi sâu nghiên cứu về vấn đề này. Chưa đề cập đến sự ổn định của đê theo yếu tố thời gian, đất không hoàn toàn bão hoàĐó cũng chính là những hạn chế của luận văn đồng thời cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo. 3. KIẾN NGHỊ Hiện nay vì lợi ích kinh tế trước mắt, tình trạng phá rừng ngập mặn đang diễn ra rất phổ biến ở một số địa phương. Đây là mối đe dọa rất lớn đến mức độ an toàn, ổn định công trình cũng như sự phát triển bền vững hệ sinh thái vùng ven biển. Đề nghị các cấp chính quyền cần có biện pháp kiên quyết trong việc bảo vệ và phát triển rừng ngập mặn. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bộ Nông nghiệp và PTNT (2002), 14TCN130 - 2002 - Hướng dẫn thiết kế đê biển, Hà Nội. 2. Nguyễn Quang Chiêu (2004), Thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu, NXB xây dựng, Hà Nội. 3. DDMFC, Báo cáo hàng năm về thiệt hại do bão, Cục Đê điều. 4. Trần Như Hối (2003), Đê biển Nam Bộ, NXB Nông nghiệp, Tp. Hồ Chí Minh. 5. Trần Như Hối (2006), Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp khoa học công nghệ xây dựng hệ thống đê bao bờ bao nhằm phát triển bền vững vùng ngập lũ ĐBSCL” Viện KHTL Miền Nam, Tp.Hồ Chí Minh. 6. Pierre Lareal, Nguyễn Thành Long, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục, Lê Bá Lương (2001), Nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam, NXB Giao thông vận tải, Tp. Hồ Chí Minh. 7. Phân viện quy hoạch thuỷ lợi Nam Bộ (2000), Báo cáo chính quy hoạch hệ thống đê biển và đê cửa sông ĐBSCL. TP.Hồ Chí Minh. 8. Hoàng Văn Tân, Trần Đình Ngô, Phan Xuân Trường, Phạm Xuân, Nguyễn Hải (1997), Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu, NXB Xây dựng (tái bản), Hà Nội. 9. Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh (2002), Xây dựng đê đập, đắp nền tuyến dân cư trên đất yếu ở ĐBSCL, NXB Nông nghiệp, Tp.Hồ Chí Minh. 10. Trường Đại học Thủy lợi (2001), Bài giảng thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ, NXB Xây dựng, Hà Nội. 11. Trường Đại học Thủy lợi (2004), Thi công các công trình Thủy lợi (tập 1+2), NXB Xây dựng, Hà Nội. 12. Trường Đại học Thủy lợi (2006), Công trình bảo vệ bờ biển, Hà Nội. 13. Nguyễn Uyên (2005), Xử lý nền đất yếu trong xây dựng, NXB Xây dựng, Hà Nội. Tiếng Anh 14. D.T.Bergardo, A.S.Balasubramaniam, J.C.Chai, M.C.Alfaro (1992), Improvement Techniques of Soft Round in Subsiding and Lowland Environment, Asia Institute of Technology Thailand. [15] U.N. (2000), Global Effects induced weather changes, Annual report, United Nations.